Методика и порядок выполнения работы

1. Классификация приборов для измерения давления по типу чувствительного элемента

По виду упругого чувствительного элемента пружинные приборы делятся на следующие группы:

1) приборы с трубчатой пружиной, или собственно пружинные (рис. 1а,б);

2) мембранные приборы, у которых упругим элементом служит мембрана (рис. 1в), анероидная или мембранная коробка (рис. 1.1г,д), блок анероидных или мембранных коробок (рис. 1.1е,ж);

3) пружинно-мембранные с гибкой мембраной (рис. 1.1з);

4) приборы с упругой гармониковой мембраной (сильфоном) (рис. 1.1к);

5) пружинно-сильфонные (рис. 1.1и).

Рис. 1.1. Типы пружинных устройств

2. Абсолютное и избыточное давление, приборы для измерения давления. Классы точности.

Давление является одним из важнейших параметров химико-технологических процессов. От величины давления часто зависит правильность протекания процесса химического производства. Под давлением в общем случае понимают предел отношения нормальной составляющей силы к площади, на которую действует сила. При равномерном распределении сил давление равно частному от деления нормальной составляющей силы давления на площадь, на которую эта сила действует. Величина единицы давления зависит от выбранной системы единиц (табл. 1.1).

Различают абсолютное и избыточное давление. Абсолютное давление P_а — параметр состояния вещества (жидкостей, газов и паров). Избыточное давление р_и представляет собой разность между абсолютным давлением P_а и барометрическим давлением Р_б (т. е. давлением окружающей среды):

Р_и = Р_а — Р_б.

Если абсолютное давление ниже барометрического, то

Р_В = Р_б — Ра,

где P_в — разрежение.

Единицы измерения давления: Па (Н/м²); кгс/см²; мм вод. ст.; мм рт.ст.

Таблица 1.1 - Соотношение между единицами давления:

Единицы давления	кгс/м2 или мм вод. ст.	кгс/см2 или атм. (техническая атмосфера)	атм. (физичеcкая атмосфера)	мм рт. ст.	Н/м2
1 кгс/м2 или 1 мм вод. ст.	1	10-4	0,0968·10-3	73,556·10-3	9,80665
1 кгс/см2 или 1 атм. (техническая атмосфера)	104	1	0,9678	735,56	98066,5
1 атм. (физическая атмосфера)	10332	1,0332	1	760,00	101 325
1 мм рт. ст.	13,6	1,36·10-3	1, 316·10-3	1	133,322
1 Н/м2	0,102	10,2·10-6	10,13·10-6	7,50·10-3	1

3. Классификация приборов для измерения давления и разрежения

Приборы для измерения давления подразделяются на:

а) манометры – для измерения абсолютного и избыточного давления;

б) вакуумметры – для измерения разряжения (вакуума);

в) мановакуумметры – для измерения избыточного давления и вакуума;

г) напоромеры – для измерения малых избыточных давлений (верхний предел измерения не более 0,04 МПа);

д) тягомеры – для измерения малых разряжений (верхний предел измерения до 0,004 МПа);

е) тягонапорометры – для измерения разряжений и малых избыточных давлений;

ж) дифференциальные манометры – для измерения разности давлений;

з) барометры - для измерения барометрического давления атмосферного воздуха.

4. Понятие «поверка» рабочего измерительного прибора

Поверка рабочего измерительного прибора - операция сравнения его показаний с показаниями образцового измерительного прибора при прямом и обратном ходе. Цель поверки - определение погрешностей рабочего прибора или поправок к его показаниям. При этом показания образцового прибора принимаются за действительные значения измеряемой величины.

5. Возможные источники систематических погрешностей приборов с упругим чувствительным элементом

Возможные источники систематических погрешностей могут быть следующими:

 Переход за предельное по шкале давление при измерении, хотя бы один раз за всё время измерений. Предельное давление, при котором еще сохраняется линейная зависимость между перемещениями конца трубки (чувствительного элемента) и давлением, называется пределом пропорциональности трубки. При переходе давления за предел пропорциональности трубка приобретает остаточную деформацию и становится непригодной для измерения.

 Механическая характеристика трубки, т.е. значение предела пропорциональности и величина перемещения свободного конца, зависит от ряда факторов, из которых наиболее важными являются отношение осей сечения трубки, толщина ее стенок, модуль упругости материала и радиус дуги изгиба трубки.

 Трение трубки о внутренние части прибора в результате их поломки.

 Периодическое изменение температуры при измерениях. Материал трубки по-разному сжимается и разгибается в зависимости от температуры.

6. Классификация погрешностей измерения

Любое измерение не может быть выполнено абсолютно точно, его результат всегда содержит некоторую ошибку. В задачу измерений входит не только измерение контролируемой величины, но и оценка допущенной при измерении погрешности. Причины возникновения погрешностей измерений можно подразделить на группы: инструментальные, методические и субъективные.

Инструментальные погрешности — это составляющая погрешностей измерения, зависящая от погрешностей применяемых средств измерения. Инструментальные погрешности являются следствием недостатков конструкции измерительных приборов, несоблюдения технологии их изготовления, несовершенства применяемых материалов, трения в механизмах, несовершенства упругих чувствительных элементов и т.п. Эти погрешности могут быть частично устранены регулировкой прибора. К инструментальным погрешностям относятся и погрешности, вызванные изменением внешних условий. Например, в зависимости от температуры изменяется жесткость пружин, мембран и других деталей, от размеров деталей передаточного механизма прибора, электрического сопротивления проводников - магнитные свойства материалов и т. п.

В некоторых случаях температурные погрешности можно определить расчетным путем, а в показания прибора могут вноситься соответствующие поправки. Инструментальные погрешности измерительного прибора складываются из погрешностей преобразователей (звеньев), составляющих прибор. Инструментальные погрешности в процессе эксплуатации прибора могут изменяться (например, погрешности трения могут возрастать от засорения механизма прибора пылью, из-за коррозии деталей, нарушения нормальной смазки и т. п.).

Чтобы быть уверенным, что инструментальная погрешность находится в допустимых пределах, приборы подвергают поверке.

Методические погрешности являются следствием неточности метода измерения или недостаточного знания всех обстоятельств, сопровождающих измерение.

Субъективные погрешности зависят от индивидуальных особенностей лица, производящего измерение (недостаточно точное отсчитывание показаний и т. п.).

Статические погрешности измерения в зависимости от причин появления принято подразделять на систематические, грубые (промахи) и случайные.

погрешности, величина которых одинакова во всех измерениях, проводящихся одним и тем же методом с использованием одних и тех же измерительных приборов. К систематическим погрешностям относятся инструментальные; погрешности, вызванные неправильной установкой прибора (например, установкой не по отвесу или уровню); методические.

Перед каждым измерением необходимо выявить возможные источники систематических погрешностей и принять меры к их исключению или определению; в большинстве случаев учет систематических погрешностей затруднителен. Сложность задачи исключения систематических погрешностей заключается в том, что нельзя предложить общий способ решения этой задачи. Для определения систематических погрешностей необходимо их изучить, что делается с помощью специально поставленных экспериментов.

Наиболее ответственные измерения выполняют различными методами, чтобы получить несколько результатов, независимых друг от друга по источникам погрешностей, и затем сопоставить их. Если даже все систематические погрешности учтены, т. е. вычислены и введены все поправки, то и в этом случае результаты измерений все же не свободны от случайных погрешностей.

Грубыми (промахами) называются погрешности, которые явно искажают результат измерения. Эти погрешности получаются, например, из-за неправильной записи результатов измерения, неверной схемы включения прибора и т. п. Измерения, содержащие грубые погрешности, исключаются из ряда измерений по соответствующему критерию.

Случайными называются погрешности, не подчиняющиеся какой-либо известной закономерности. Они возникают в результате влияния на процесс измерения случайных факторов (вибрация прибора, влияние посторонних электромагнитных полей, физиологические изменения органов чувств наблюдателя и т.п.). Случайные погрешности всегда присутствуют в эксперименте; они в равной степени могут быть как положительными, так и отрицательными. Случайные погрешности не могут быть исключены опытным или расчетным путем. Для учета влияния случайных погрешностей на результат измерения одну и ту же величину измеряют многократно. К ряду значений применяют законы теории вероятностей и методы статистики, на основании которых учитывают влияние случайных погрешностей на результат измерения.

Содержание отчета и его форма

В отчете должны быть приведены:

- номер лабораторной работы, ее тема и цель работы;

- краткая теория по теме работы;

- аппаратура и материалы;

- методика и порядок выполнения работы;

- делается вывод о соответствии измеренном давлении заданному значению.

Контрольные вопросы и защита работы

1. Что такое давление?

2. Какими приборами измеряют давление?

3. Как классифицируются приборы для измерения давления?

ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА №2

Измерение и расчет гидростатического давления

Цель и содержание: освоить методы измерения гидростатического давления.

Теоретическое обоснование

Гидростатическим давлением называют нормальное сжимающее напряжение в неподвижной жидкости, т.е. силу, действующую на единицу площади поверхности. За единицу измерения давления в международной системе принят паскаль (Па = Н/м2).

Различают абсолютное, атмосферное, манометрическое, вакуумметрическое давления. Абсолютное (полное) давление p отсчитывается от абсолютного вакуума. Атмосферное давление Р_a создается силой тяжести воздуха атмосферы и принимается в обычных условиях равным 101325 Па или 760 мм рт. ст. Избыток давления над атмосферным называют манометрическим (избыточным) давлением (Р_м = Р_a – Р).

Приборы для измерения атмосферного давления назвали барометрами, манометрического – манометрами, вакуума – вакуумметрами. По принципу действия и типу рабочего элемента приборы бывают жидкостными, механическими и электрическими. Жидкостные приборы исторически стали применяться первыми. Их действие основано на принципе уравновешивания измеряемого давления Р силой тяжести столба жидкости высотой h в приборе:

Р = ρgh,

где ρ – плотность жидкости, g – ускорение свободного падения.

Поэтому величина давления может быть выражена высотой столба жидкости h (мм рт. ст., м вод. ст.). Преимуществами жидкостных приборов являются простота конструкции и высокая точность, однако они удобны только при измерении небольших давлений. В механических приборах измеряемое давление вызывает деформацию чувствительного элемента (трубка, мембрана, сильфон), которая с помощью специальных механизмов передается на указатель. Недостатком таких приборов является инерционность, что не позволяет использовать их для измерения мгновенного значения давления в быстропротекающих процессах.

В электрических приборах воспринимаемое чувствительным элементом давление преобразуется в электрический сигнал. Сигнал регистрируется показывающим (вольтметр, амперметр) или пишущим (самописец, осциллограф) приборами. В последнем случае можно фиксировать давление при быстропротекающих процессах.

Абсолютное давление в любой точке покоящейся жидкости определяется по основному уравнению гидростатики:

Р = Р₀ + ρgH,

где Р₀ – абсолютное давление на свободной поверхности жидкости; ρ –плотность жидкости; Н – глубина погружения точки под свободной поверхностью.

В работе вычисляется давление в заданной точке (например, на дне резервуара) через показания различных приборов и затем сравниваются результаты, полученные двумя путями.